Linseløs on-chip mikroskopiplatform viser dias i fuld visning

Når du ser gennem et mikroskop, hvad der end er på scenen forstørres i en grad, det blotte øje næsten ikke kan forestille sig. Mens traditionelle mikroskopiteknikker tillader små detaljer at komme til syne, standardudstyr giver os ikke det fulde billede.

De fleste optiske mikroskoper har et begrænset synsfelt, kun en til to millimeter. Dette er en stor ulempe for livsforskere og patologer, der er afhængige af mikroskopi til at analysere og diagnosticere sygdom, da forberedte vævsprøver har dimensioner i centimeterområdet.

For at imødekomme dette udækkede kliniske behov, en ny mikroskopiplatform udviklet på UConn fjerner en central komponent i traditionelle mikroskoper - objektive linser. Ved at blive linseløs, forskere kan faktisk give klinikere et mere fuldstændigt billede, fører til mere præcise diagnoser.

Guoan Zheng, en University of Connecticut professor i biomedicinsk teknik, offentliggjorde for nylig sine resultater om en vellykket demonstration af en linseløs on-chip mikroskopiplatform i Lab on a Chip. Denne platform eliminerer flere af de mest almindelige problemer med konventionel optisk mikroskopi og giver en billig mulighed for diagnosticering af sygdom.

I stedet for at bruge linser til at forstørre vævsprøven, Zhengs platform er afhængig af en diffusor, der går mellem prøven og billedsensoren eller kameraet. Diffusoren bevæger sig tilfældigt til forskellige positioner, mens sensoren får billederne, indsamling af de kodede objektoplysninger, der senere vil blive brugt til at gendanne et billede til visning af klinikere eller forskere.

Kernen i gendannelsesprocessen er en billedbehandlingsteknik kaldet ptykografi. Ptykografisk billeddannelse bruger typisk en fokuseret stråle til at belyse en prøve og optage mønsteret skabt af det diffrakterede lys. For at gendanne et helt komplekst billede - som en vævsprøve - til visning, ptychografi kræver, at tusindvis af mønstre optages, mens prøven scannes til forskellige positioner.

"Selvom ptychografi har været af stigende interesse for videnskabsmænd rundt om i verden, bred implementering af metoden er blevet hæmmet af dens langsomme hastighed og kravet om præcis mekanisk scanning, " siger Shaowei Jiang, en UConn kandidatstuderende og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen.

Zhengs nye ptychographic teknologi løser disse spørgsmål ved at bringe prøven tæt på billedsensoren. Denne nye konfiguration gør det muligt for teamet at have hele billedsensorområdet som billedsynsfelt. Ud over, det kræver ikke længere den præcise mekaniske scanning, der er nødvendig for traditionel ptychografi. Dette skyldes, at den nye konfiguration har det højeste Fresnel-tal, der nogensinde er testet for ptychografi, cirka 50, 000. Fresnel-tallet karakteriserer, hvordan en lysbølge bevæger sig over en afstand efter at have passeret gennem en åbning, såsom et nålehul. Det ultrahøje Fresnel-tal, der blev brugt i Zhengs eksperimenter, indikerer, at der er meget lidt lysdiffraktion fra objektplanet til sensorplanet. Lave niveauer af diffraktion betyder, at diffusorens bevægelse kan spores direkte fra de optagne råbilleder, eliminerer behovet for et præcist bevægelsestrin, hvilket er afgørende for konventionel ptychografi.

"Denne tilgang skærer ned på behandlingstiden, koste, og giver mulighed for at fremstille et mere komplet billede af prøven, " siger Zheng.

Med konventionel linsemikroskopi, videnskabsmænd kan kun se en lille del af et dias under hver visning. Zhengs platform tilbyder en stor forbedring ved effektivt at udvide mikroskopets synsfelt. Zhengs nuværende prototype tilbyder et 30 mm2 synsfelt, sammenlignet med standarden ~2 mm2. Ved at bruge en fuld-frame billedsensor i et almindeligt fotografikamera, Zhengs teknologi gør det muligt for læger at analysere to hele dias på én gang.

"Forestil dig at kunne læse en hel bog på én gang i stedet for kun en side ad gangen. Det er i bund og grund det, vi håber, at vores teknologi vil give klinikere mulighed for, " siger Zheng.

Tilføjelse til sin allerede lange liste af forbedringer, Zhengs platform eliminerer behovet for cellefarvning. Normalt, forskere farver dele af celler, ligesom kernen, at identificere hvor mange der er. Zheng testede denne platforms evne til at udføre automatisk cellesegmentering ved hjælp af de gendannede etiketfrie fasekort.

På grund af dens kompakte konfiguration og robuste ydeevne, Zheng og hans team forestiller sig, at deres platform ville være en god egnet til brug i en række point-of-care, global sundhed, og telemedicinske applikationer. Deres teknologi kan også være nyttig til røntgen- og elektronmikroskopi.

"Ved at bruge vores linseløse, nøglefærdigt billedbehandlingssystem, vi kan omgå de optiske fysiske begrænsninger og erhverve højopløselig kvantitativ information til mikroskopi på chip. Vi er glade for at fortsætte med at forfine denne teknologi til kommercielle og kliniske anvendelser for at have en håndgribelig indvirkning for patienter og forskere, " siger Zheng.

Det Lab on a Chip papiret hedder, "Vidfelt, høj opløsning linseløs on-chip mikroskopi via nærfelt blind ptykografisk modulering."